中国科学院李玉良院士:直接原位生长石墨炔制备高能量密度高稳定有机正极

【研究背景】

    有机小分子正极材料具有高容量、易制备、资源丰富、分子堆积好、可以存储多种碱金属离子等突出优点,有机小分子正极材料的开发是解决锂离子电池资源匮乏的有效途径。然而,导电性差和易溶解是有机小分子正极应用的瓶颈。近年来,较多的解决途径是添加大量的导电添加剂,导致活性物质低于60%,远低于无机电极90%,大大影响了有机小分子正极材料的应用价值。探索一种稳定有效的包覆技术,提升有机正极的活性物质含量到90%以上是实现有机小分子正极实际价值的必经途径。常规碳材料由于高温苛刻的制备条件,无法实现对有机小分子正极的包覆。石墨炔,具有二维大的共轭结构有利于电子传输,亦具有平面内孔道结构利于碱金属离子传输。更难能可贵的是石墨炔可以在温和条件直接原位生长包覆有机小分子,使得有机正极材料的实际应用成为可能(图1)。

中国科学院李玉良院士:直接原位生长石墨炔制备高能量密度高稳定有机正极 图1. (a)图示有机小分子正极材料的特点;(b)文献报道有机小分子正极活性物质含量;(c)典型有机小分子的结构和石墨炔结构对比。

【工作介绍】

    近日,中国科学院化学研究所李玉良院士团队利用石墨炔的原位生长方法发展了一种有效的包覆技术。利用该方法,石墨炔在室温下直接生长原位包覆有机小分子正极颗粒表面,形成无缝的全碳保护层。石墨炔全碳包覆层具有选择性传输碱金属离子的特性,不仅能有效提升有机小分子正极颗粒的电导率,而且抑制了其在电化学过程中的溶解。利用该方法,有机小分子正极的活性质量提高到93%,电极实际质量能量密度高达310 W h kg−1,该方法还大大提高了电池的动力性和长循环稳定性。这一先进的包覆技术的出现可能催生一批能量密度接近主流锂离子电池的有机电池。该文章发表在国际顶级期刊 Advanced Materials 上。化学所李靓为本文第一作者。

【内容表述】

    石墨炔不仅具有优异的离子和电子传导能力,超高稳定性,具有在温和条件下制备的自然优势,这些突出特点正是常规碳材料缺乏的。依据石墨炔的结构和典型的有机小分子正极材料的结构对比,它们之间结构匹配,有利于碱金属离子实现无障碍传输。因而,石墨炔是包覆有机小分子正极理想的碳材料(图2)。

中国科学院李玉良院士:直接原位生长石墨炔制备高能量密度高稳定有机正极图2. 石墨炔的原位包覆和理论计算。

中国科学院李玉良院士:直接原位生长石墨炔制备高能量密度高稳定有机正极图3.(a-l)石墨炔的包覆有机正极前后扫描电镜和透射电镜对比图,(m-p)包覆前后的表面元素的XPS分析。

    表明利用该方法,石墨炔能够直接原位包覆在有机正极颗粒表面。

中国科学院李玉良院士:直接原位生长石墨炔制备高能量密度高稳定有机正极图4. 有机正极包覆前后的锂离子电池电化学性质测试对比。

    研究显示包覆后有机正极在存储锂离子过程中功率性能和稳定性能显著改进。

中国科学院李玉良院士:直接原位生长石墨炔制备高能量密度高稳定有机正极图5. 有机正极包覆前后的钠离子电池电化学性质测试对比。

    研究显示包覆后有机正极在存储钠离子过程中功率性能和稳定性能显著改进。

中国科学院李玉良院士:直接原位生长石墨炔制备高能量密度高稳定有机正极图6. 有无石墨炔包覆的电池拆卸对比。(a-d)电极照片;(e-g)电极扫描电极照片;(h-j)电极的元素XPS分析。

    电极电化学后的形貌和元素分析对比研究发现石墨炔包覆后能显著稳定电极形貌,并能有效抑制有机小分子正极的溶解穿梭。

中国科学院李玉良院士:直接原位生长石墨炔制备高能量密度高稳定有机正极图7. (a-b)石墨炔包覆前后有机正极充放电过程原位XRD测试。(c-d)石墨炔包覆前后有机正极结构变化示意图。

    原位XRD测试表明有石墨炔包覆后有机正极的结构稳定性显著提升,有机正极的XRD特征峰的可逆性显著增强。

【结论】

    石墨炔的原位包覆策略是解决有机正极材料走向稳定应用的高效方法。通过该方法的利用,发现有机电极实际能量密度实现了显著突破,使电池能量密度有望达到锂离子电池水平。石墨炔包覆有机电池技术的突破是缓解锂离子电池资源匮乏有效方法之一。

Liang Li, Zicheng Zuo, Fan Wang, Jingchi Gao, Anmin Cao, Feng He, Yuliang Li, In Situ Coating Graphdiyne for High‐Energy‐Density and Stable Organic Cathodes, Adv. Mater., 2020, DOI:10.1002/adma.202000140

作者简介

李玉良,中国科学院化学研究所研究员、中国科学院大学教授、博士生导师,中国科学院院士。2002年、2005年和2014年三次获得国家自然科学二等奖,获北京市科学技术奖(自然科学)一等奖两次,中国科学院自然科学二等奖一次。是首届全国创新争先奖获得者,2017年获何梁何利科学与技术进步奖。研究领域为碳基和富碳分子基材料定向、多维、大尺寸聚集态结构和异质结构自组织生长、自组装方法学以及在能源、催化和光电等领域的应用。

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/30875.html

参考文献:Adv. Mater.